НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
1. Общие свойства Низкотемпературной плазмы.
Низкотемпературной называют плазму, у которой средняя энергия
электронов меньше характерного потенциала ионизации атома (< 10 эВ);
температура её обычно не превышает 105 К. Плазма с более высокой
температурой называется горячей или высокотемпературной. Обычно
Низкотемпературная плазма слабоионизованная, т. е. число нейтральных
атомов и молекул значительно превышает число заряженных частиц – электронов
и ионов. Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице
объёма называется степенью ионизации плазмы. Поскольку кулоновское
взаимодействие между заряженными частицами значительно сильнее, чем
взаимодействие между нейтральными частицами, и это взаимодействие
дальнодействующее, то наличие заряженных частиц в низкотемпературной
плазме в большой степени определяет её свойства, в том числе электрические и
электромагнитные. Много видов
низкотемпературной
плазмы
существует в природе (рис. 1),
создают низкотемпературную
плазму
и
в
различных
специальных
лабораторных
системах
(рис.
2).
Низкотемпературная плазма в
соответствии с физическими
свойствами
может
быть
стационарной, нестационарной,
равновесной,
неравновесной,
Рис. 1. Низкотемпературная плазма в природе.
идеальной, неидеальной.
Стационарная
и
нестационарная низкотемпературная
плазма.
Стационарная
низкотемпературная
плазма
обладает большим временем
жизни
по
сравнению
с
временами релаксации в ней.
Нестационарная (импульсная)
низкотемпературная
плазма
живёт ограниченное время,
определяемое как временем
Рис. 2. Параметры лабораторной низкотемпе- установления
равновесия
в
ратурной плазмы.
плазме,
так
и
внешними
условиями. Плазма, время жизни которой превышает характерное время
переходных процессов, называется квазистационарной. Например, плазма в
канале молнии образуется и поддерживается в результате прохождения через
него электрического тока. Характерное время установления равновесия в
проводящем канале ~10-5 с, характерное время расширения (т. е. разрушения)
этого проводящего канала ~10-3 с, поэтому в течение прохождения основной
части тока через проводящий канал плазму в нём можно считать
квазистационарной.
Равновесная
и
неравновесная
низкотемпературная
плазма.
Низкотемпературная плазма называется равновесной, если её компоненты
находятся в термодинамическом равновесии, т. е. температура электронов, ионов
и нейтральных частиц совпадает. В низкотемпературной плазме легко
создаются неравновесные условия в результате селективного действия внешних
электрических полей: электрическая энергия от них передаётся заряженным
частицам, а те отдают её частицам газа при столкновениях. При таком способе
введения энергии средняя энергия заряженных частиц может значительно
отличаться от тепловой энергии нейтральных частиц. В первую очередь это
относится к электронам, которые из-за малой массы неэффективно обмениваются
энергией при упругом столкновении с нейтральными частицами газа. При этом
не только средняя энергия электронов, но и вид распределения электронов по
энергиям может существенно отличаться от равновесного.
Равновесная плазма обычно
реализуется в газе при высоком
давлении,
где
столкновения
частиц происходят часто и
скорость установления равновесия
относительно велика. Примерами
такой плазмы являются плазма
дугового
разряда
при
атмосферном давлении, плазма
искрового разряда или молнии в
атмосфере.
Характерным
примером
неравновесной плазмы является
плазма тлеющего разряда или
плазма дугового разряда низкого
давления; например, в плазме
гелий-неонового
лазера
при
Рис. 3. Параметры равновесной и неравновесной
давлении газа ~10 тор температуpa
низкотемпературной плазмы; Т – температура
газа в центре разрядной трубки
газа; Те – температура электронов.
 400 К, тогда как средняя энергия
электронов несколько эВ (рис. 3).
Идеальная и неидеальная плазма. Плазма считается идеальной, если
средне кинетическая энергия заряженных частиц (3/2)kT много больше
средней энергии её взаимодействия с окружающими частицами:
3
e2
kT  , где
2
rD
е – заряд электрона, Т – температура, rD - дебаевский радиус экранирования.
Идеальную плазму можно определить также как плазму, в которой число
заряженных частиц в сфере с дебаевским радиусом велико. Оба определения
приводят к одинаковому соотношению для параметров идеальной плазмы:
Ne 6
 C .
T3
Числовой коэффициент С в этом соотношении равен 9/32, если пользоваться
первым условием и 1/96  для второго условия. Такое различие делает границу
между идеальной и неидеальной плазмой весьма размытой, а это означает, что в
промежуточной области параметров неидеальность плазмы может существенно
влиять на одни её свойства и не сказываться на других.
Неидеальная плазма с чисто кулоновским взаимодействием между
частицами (полностью ионизованная) реально не существует. В такой плазме с
большой скоростью происходит рекомбинация ионов и электронов с
характерными временами значительно меньше атомных. За такие времена
плотность заряженных частиц существенно падает, а их температура повышается
и плазма перестаёт быть неидеальной. Неидеальная плазма существует в
многокомпонентной системе, где возникают дополнительные условия
стабилизации плазмы. Типичным примером неидеальной плазмы является плазма
металла, которая сохраняется неидеальной за счёт сил взаимодействия с участием
ионов решётки металла. Таким образом, неидеальная плазма существует при
плотности частиц, сравнимой с плотностью конденсированного состояния
вещества. Слабоионизованный газ всегда является идеальной плазмой.
Неидеальную плазму можно также разделять на типы по способам её
получения или использования: газоразрядная, пучковая, фоторезонансная,
лазерная, ионосферная, солнечная, космическая плазма.
2. Способы создания низкотемпературной плазмы.
В низкотемпературной плазме потери заряженных частиц связаны с
рекомбинацией электронов и ионов и с уходом заряженных частиц на стенки
сосуда или за пределы занимаемого объёма. Для поддержания существования
плазмы необходимы процессы ионизации, которые создают новые заряженные
частицы.
Наиболее старый и простой способ создания низкотемпературной плазмы –
газоразрядный. Плазма создаётся в результате протекания в газе электрического
тока между электродами, к которым приложена постоянно поддерживаемая
разность потенциалов. Газовый разряд содержит ряд областей, различающихся по
своим свойствам, и поэтому имеется несколько типов газовых разрядов (см.
Электрические разряды в газах). Для газоразрядной плазмы характерна
квазистационарность, т. е. время её существования значительно превышает
характерное время жизни отдельно выделенной заряженной частицы.
Газоразрядному способу создания низкотемпературной плазме подобно
создание плазмы при электрическом пробое газа, который осуществляется под
действием разности потенциалов, приложенной к электродам. В этом случае
получают импульсную плазму, которая распадается, как только электроды
разрядятся. Пробой газа имеет несколько стадий, в итоге которых образуется
проводящий канал – искровой разряд. Подобное явление имеет место в приземной
атмосфере: молния – пробой газа между облаками или между облаком и землёй во
время грозы.
Пробой газа может произойти за счёт высокой напряжённости
электромагнитных волн при прохождении сфокусированного лазерного излучения
через газ – лазерный пробой (см. Оптические разряды). низкотемпературная
плазма, образовавшаяся при газовом пробое, распадается в результате
рекомбинации и диффузии заряженных частиц. Такую плазму называют
распадающейся плазмой или плазмой в послесвечении и используют для
измерения скоростей рекомбинации и коэффициент диффузии заряженных
частиц.
Под действием резонансного излучения образуется так называемая
фоторезонансная плазма. Энергия фотонов резонансного излучения совпадает с
энергией возбуждения атомов или молекул газа. Образуемые при поглощении
резонансных фотонов возбуждённые атомы или молекулы при дальнейших
столкновениях ионизуются. В качестве источника резонансного излучения
используется разрядная лампа, содержащая данный газ, или перестраиваемый
лазер. Этот способ генерации плазмы позволяет легко регулировать её параметры,
поэтому фоторезонансная плазма применяется при создании плазменных
нелинейных оптических элементов для преобразования и стабилизации частоты
лазерного излучения, для создания источников ионов разного сорта, акустических
источников и т. д. Фоторезонансная плазма отличается от газоразрядной плазмы
по своим параметрам. В газоразрядную плазму энергия вводится через электроны,
а от них она передаётся плазме, в фоторезонансной плазме энергия первоначально
вкладывается в возбуждение атомов. Поэтому средняя энергия электронов в
фоторезонансной плазме существенно ниже, чем в газоразрядной.
При прохождении электронного пучка через газ возникает пучковая плазма.
Обычно для её создания используются пучки электронов с энергией в несколько
сотен кэВ. Такие электроны свободно проходят через тонкие фольги и поэтому
могут транспортироваться из электронной пушки в лабораторную установку,
содержащую газ при более высоких давлениях. Основной процесс
взаимодействия быстрых электронов с атомами или молекулами газа – ионизация
атомов или ионов. Образуемые при этом вторичные электроны имеют энергию, в
несколько раз превышающую потенциал ионизации атомов или молекул. Таким
образом, при прохождении пучка электронов через газ энергия быстрых
электронов преобразуется в энергию вторичных электронов (которая далее и
используется) с высоким коэффициентом преобразования. Поэтому кпд
устройств, возбуждаемых электронным пучком, достаточно велик. Например, кпд
молекулярных, химических и эксимерных лазеров, возбуждаемых электронным
пучком, > 10%. Однако основное достоинство возбуждения плазмы электронным
пучком – возможность быстрого подвода энергии. Характерные времена
возбуждения плазмы электронным пучком ~10-9 с. Благодаря этому электронный
пучок используется не только для создания импульсной низкотемпературной
плазмой, но и для предионизации. В мощных лабораторных устройствах
электронный пучок создаёт однородную первичную плазму, которая далее
развивается под действием электрического импульсного разряда.
В 1980-е гг. широкое развитие приобретает лазерная плазма. Лазер
используется для различных технологических операций – обработки
поверхностей, сварки, резки металлов и т. д. При взаимодействии лазерного
излучения с поверхностью образуется лазерная плазма, которая, взаимодействуя с
лазерным излучением, может поглощать его, препятствуя проникновению
лазерного излучения к обрабатываемой поверхности. Лазерная плазма специфически физический объект, требующий исследования в плане конкретных
технологических процессов.
Имеется много других способов генерации низкотемпературной плазмы.
Плазма может быть получена под действием жёсткого излучения, ионизующего
газ (ионосфера Земли и других планет), в результате прохождения пучка ионов
или нейтронов через газ. В качестве генератора низкотемпературной плазмы
могут быть использованы радиоактивные источники.
Ещё один способ создания низкотемпературной плазмы – химический: в
пламенах заряженых частицы образуются в результате процессов хемионизации.
3. Процессы в низкотемпературной плазме.
Основными процессами в низкотемпературной плазме являются
элементарные процессы возбуждения и ионизации газа, рекомбинации
заряженных частиц и другие, процессы переноса заряженных и возбуждённых
частиц, а также процессы переноса энергии за счёт теплопроводности, конвекции.
Число типов элементарных процессов в низкотемпературной плазме достигает
несколько десятков. На примере плазмы воздуха (табл.) рассмотрим характер
элементарных процессов в низкотемпературной плазме.
Первостепенное
значение
среди
элементарных
процессов
в
низкотемпературной плазме имеют процессы ионизации, ибо они поддерживают
плазму. Чаще ионизация происходит в результате столкновения с электронами.
Процесс 1 называется прямой ионизацией, процесс 2 – ступенчатой ионизацией,
представляющей
собой
последовательность
процессов
возбуждения
метастабильного состояния (13) и ионизации возбуждённой молекулы.
Ступенчатая ионизация эффективно происходит в относительно плотной плазме.
Заряженные частицы в низкотемпературной плазме могут образовываться с
участием возбуждённых частиц – ассоциативная ионизация (3) или Пеннинга
эффект. Заряженные частицы возникают также в результате фотоионизации.
Процесс 4 – основной процесс образования ионосферной плазмы под действием
КВ-излучения Солнца.
Рекомбинация заряженных частиц в плазме может идти по разным каналам.
Процессы 5, 6 – диссоциативная рекомбинация электрона и молекулярного иона,
процесс 7 – взаимная нейтрализация положит, и отрицательных ионов, процесс 8
– трёхчастичная рекомбинация электрона и иона, процесс 9 – фоторекомбинация.
Каждый из этих процессов при соответствующих условиях может быть
доминирующим.
Элементарные процессы в низкотемпературной плазме
Типы процесса
Ионизация
Рекомбинация
Прилипание
Возбуждение
Перезарядка
№ процесса
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Схема типичного процесса
е + N2(Х1+g)  2e + N+2
е + N2(A3+u)  2e + N+2
2N2(A3+u)  N+4 + e
O + h  + e
е + N+2  N + N
е + N+4  N2 + N2
N+2 + О2-  N2 + О2
е + О+ + N2  О + N2
е + О+  О + h
е + О2 N2(О2)  О2- + N2(О2)
е + О2  О- + О
е + О  О- + h
е + N2(Х1+g)  e + N2(A3+u)
е + N2(Х1+g)  e + N2(С3Пu)
е + N2( = 0)  e + N2(  0)
N2 + О2+  N2+ + О2
N+2 + N2  N2 + N+2
Важную роль, особенно в плазме электроотрицательных газов, играют
процессы прилипания электрона к атому или молекуле, в результате чего
образуется отрицательный ион. Хотя процессы прилипания электрона не
изменяют число заряженных частиц в плазме, но при таком переходе резко падает
проводимость плазмы, существенно изменяются её другие свойства. Процесс 10 –
трёхчастичное прилипание электрона к атому, процесс 11 – диссоциативное
прилипание электрона к молекуле, процесс 12 – фотоприлипание. В частности, в
атмосферном воздухе в результате процесса 10 за 10-7 с первоначально
образованные медленные электроны превращаются в отрицательные ионы, а
процесс 12 ответствен за ночное свечение неба.
Процессы возбуждения атомов и молекул существенны и для поддержания
низкотемпературной плазмы и при преобразовании энергии внешнего источника в
энергию излучения в газоразрядных лампах и газовых лазерах. Процесс 13 –
образование метастабильной молекулы – является первой стадией ступенчатой
ионизации молекул. Процесс 14 – возбуждение резонансных состояний молекул; в
азотном лазере, например, этот процесс создаёт инверсную заселённость уровней.
Процесс 15 – возбуждение колебательных уровней молекулы, этот процесс
преобладает в тлеющем разряде в азоте и в лазере на углекислом газе, что
обеспечивает большой кпд и высокую мощность лазера.
Процессы перезарядки 16, 17 приводят к переходу заряда от одной частицы к
другой. Особенно существенна резонансная перезарядка (17), которая
эффективнее упругого рассеяния, т. к. резонансная перезарядка происходит при
прямолинейных траекториях движения иона и молекулы. Резонансная
перезарядка определяет параметры транспорта ионов – подвижность и
коэффициент диффузии (продольной и поперечной по полю) в собств. газе.
Рассмотренные процессы типичны для различных видов плазмы, но для
каждой конкретной системы могут оказаться важными, определяющими свойства
и параметры плазмы, и другие типы процессов. Например, это могут быть
процессы колебательной релаксации возбуждённых молекул, процессы тушения
возбуждённых молекул и атомов при столкновении с электронами и
нейтральными частицами, процессы разрушения отрицательных ионов и т. д.
4. Неустойчивости и структуры низкотемпературно плазмы
Коллективные явления не играют в низкотемпературно плазме
первостепенной роли, как в горячей плазме, но их влияние на свойства плазмы
может быть заметным. Присутствие большого числа нейтральных частиц в
слабоионизованной плазме приводит к затуханию множество типов колебаний,
характерных для горячей плазмы, и к устойчивости низкотемпературной плахмы
относительно этих колебаний. Если степень ионизации плазмы не очень мала, то
основные типы колебаний плазмы возникают в ней, хотя и не так чётко
выражены. В частности, в положительном столбе дугового разряда низкого
давления, где степень ионизации плазмы доходит до процентов, присутствуют как
плазменные колебания, так и ионный звук. Возникновение плазменных
неустойчивостей приводит, в свою очередь, к осцилляции разрядного тока.
Неустойчивости низкотемпературной плазмы, приводящие к нарушению
пространственного распределения плазмы или к её разрушению, существенно
отличаются от неустойчивостей горячей плазмы. Основные типы
неустойчивостей низкотемпературной плазмы: ионизационная, прилипательная и
тепловые неустойчивости.
Ионизационная неустойчивость обусловлена связью скорости ионизации с
пространств, распределением заряженных частиц, со средней энергией электронов
или с другими параметрами плазмы. В случае ионизации неустойчивости
снижение скорости ионизации уменьшает соответствующий параметр плазмы, а
это приводит к последующему понижению скорости ионизации. Механизмов
развития ионизации неустойчивости может быть много в зависимости от
конкретных условий.
Прилипательная неустойчивость связана с процессом перехода
отрицательного заряда от электронов к отрицательным ионам. В этом случае
образование отрицательного иона изменяет параметры плазмы так, что делает
благоприятным дальнейшее прилипание электронов к атомам. В результате либо
нарушается однородное распределение плазмы, либо нарушаются условия
существования плазмы и она разрушается (подробнее см. Плазма
электроотрицательных газов).
Тепловые неустойчивости проявляются во влиянии теплового режима и
процессов переноса на параметры плазмы. Ярким примером является тепловой
взрыв в лазере на угарном газе. Как во всяком молекулярном газе, колебательная
температура в плазме этого лазера превышает поступательную температуру газа.
В процессе колебательной релаксации, связанной с тушением колебательно
возбуждённых молекул, часть колебательной энергии переходит в
поступательную, что приводит к повышению температуры газа и увеличению
теплового потока на стенки за счёт теплопроводности. С ростом температуры газа
резко возрастает скорость колебательной релаксации. Тепловой поток в газе не в
состоянии унести энергию, выделяемую при колебательной релаксации.
Оставаясь в газе, она приводит к увеличению его постулат, температуры, а это, в
свою очередь, к повышению скорости колебательной релаксации. Возникает
тепловая неустойчивость, в результате которой колебательная энергия быстро
перерабатывается в поступательную до тех пор, пока колебательная и
поступательная температуры газа не сравняются. Эта неустойчивость
ограничивает удельную мощность лазера на угарном газе.
Неустойчивости низкотемпературной плазмы нарушают однородное
распределение плазмы в пространстве и могут привести к появлению новых
структур. Одной из них, наиболее изученной, является сжатие, или контракция
газового разряда. В длинной цилиндрической трубке свечение газового разряда и
электрический ток сжимаются к оси, и в остальной части трубки газ не
возбуждается. Механизм контракции разряда может быть разным, но суть её
состоит в следующем. Из-за резкой зависимости скорости ионизации от
плотности газа и повышения температуры вблизи оси трубки (где проходит ток)
ионизация газа происходит только вблизи оси трубки. За счёт разных механизмов
рекомбинации заряженные частицы гибнут в объёме не доходя до стенок трубки.
В результате заряженные частицы сосредоточены вблизи оси трубки, в этой
области происходит возбуждение газа и наблюдается его свечение.
Другой тип структур в газоразрядной плазме – страты – чередующиеся
светящиеся и тёмные области разряда; эта правильная полосатая структура может
перемещаться и «бежать» к электроду, а может быть неподвижной. Страты
существуют в определенной области токов и давлений; механизмы их
возбуждения и характер проявления различны для атомных и молекулярных
газов. Страты возникают при таких параметрах разряда, при которых существенна
ступенчатая ионизация газа, так что скорость ионизации зависит от плотности
электронов нелинейно. Возникновение страт обусловлено тем, что с увеличением
плотности электронов повышаются скорость ионизации и средняя энергия
(температура) электронов, а это в свою очередь вызывает возрастание плотности
электронов. Страты как осциллирующая структура распределения электронов в
разряде выгоднее однородного распределения, ибо при таком распределении
более эффективно используется вводимая в газ энергия. Амплитуда осцилляции
плотности электронов и размер страт определяются механизмом возникновения
неустойчивости и конкретными параметрами плазмы.
В газоразрядной плазме распространён ещё один тип структуры – домен.
Первоначально такие структуры наблюдались и исследовались в
полупроводниковой плазме и известны как Ганна эффект. Электрические
домены в газоразрядной плазме – движущиеся в пространстве возмущения
плотности электронов, представляющие собой резкое и узкое повышение
плотности электронов, а за ним движется широкий и слабый «хвост». Это
возмущение может перемещаться или вместе с током, или в обратном
направлении. При этом проинтегрированное по времени изменение плотности
электронов равно нулю. Домены могут возникнуть, если имеется немонотонная
зависимость тока от напряжённости электрического поля, например в случае
немонотонной зависимости дрейфовой скорости электронов от напряжённости
электрического поля или если отношение плотности отрицательных ионов в
плазме к плотности электронов растёт с увеличением напряжённости
электрического поля. Повышение напряжённости поля и рост средней энергии
электронов усиливают диссоциативное прилипание электронов к молекулам и
зависимость тока от напряжённости электрического поля при одном и том же токе
и создают электрический домен.
5. Применение низкотемпературной плазмы.
Разнообразное использование низкотемпературной плазмы определяется
простотой её создания. Газоразрядная плазма применяется в газовых лазерах и
источниках связи, в плазмохимических процессах и процессах очистки газов, для
обработки поверхностей, в различных технологиях и металлургия, процессах.
Низкотемпературная плазма как рабочее тело используется при преобразовании
тепловой энергии в электрическую, в магнитогидродинамических генераторах и
термоэмиссионном преобразователе. В плазмотроне низкотемпературная плазма
выполняет роль теплоносителя. Вводимая в плазму электрическая энергия
передаётся электронам, а от них – атомам или (и) молекулам газа и нагревает его.
Удельная энергия, вводимая в такой газ, заметно выше энергии в пламени газовой
горелки.
Применения низкотемпературной плазмы можно разделить на две стадии. В
первой из них плазма является рабочим телом конкретных установок и приборов
(газоразрядные лазеры и лазеры, возбуждаемые электронным пучком, МГДгенератор, термоэмиссионный преобразователь, газоразрядные источники света и
т. д.); во второй — плазма составляет основу соответствующих технологий.
Технологическое применения плазмы обеспечиваются двумя её качествами.
Во-первых, в плазме могут быть достигнуты гораздо более высокие температуры,
чем в горелках на химическом топливе, поэтому плазма является отличным
теплоносителем; во-вторых, в плазме образуется много ионов, радикалов и
различных химически активных частиц, поэтому в плазме или с её помощью
можно провести химические процессы в объёме или на поверхности, имеющие
практическое значение.
Применение плазмы как теплоносителя связано с процессами сварки и резки
металлов. Поскольку максимальная температура в химических горелках < 3000 К,
они не подходят для этой цели. Дуговой разряд позволяет создать плазму с
температурой в 3-4 раза выше, которая при соприкосновении с металлом
расплавляет его. Плазменные методы сварки и резки металлов обеспечивают
более высокую удельную производительность, качество продукта, дают меньше
отходов, но требуют больших затрат энергии и более дорогого оборудования.
Плазма как теплоноситель используется в топливной энергетике. Введение
плазмы в зону сжигания низкосортных углей существенно улучшает
энергетические параметры процесса.
Как хороший теплоноситель плазма позволяет производить термическую
обработку поверхности и её закалку. При этом не изменяется химический состав
поверхности, но улучшаются её физические параметры. При другом способе
обработки поверхности активные частицы плазмы вступают в химическую
реакцию с материалом поверхности. Например, при проникновении ионов или
активных атомов из плазмы в приповерхностный слой в нём образуются нитриды
или карбиды металлов, что упрочняет поверхность. Плазма может не вступать в
химическую реакцию с поверхностью, но образует на ней свои химические
соединения в виде плёнок, обладающих некоторым набором механических,
тепловых, электрических, оптических и химических свойств в зависимости от
параметров плазмы. Толщина плёнки, напыляемой на поверхность из плазмы,
пропорциональна времени плазменного процесса. Изменяя через некоторое время
состав плазмы, можно создавать многослойную структуру. Обработка отдельных
слоев сфокусированы излучением ртутной лампы или лазера позволяет создавать
профилирующие плёнки с минимальным размером отдельных элементов в
несколько микрон (см. Плазменная технология).
Низкотемпературная плазма применяется для получения ряда химических
соединений, полимеров и полимерных мембран, а также при производстве
порошков керамических соединений (SiC, Si3N4), металлов и окислов металлов
(см. Плазмохимия).
Низкотемпературная плазма используется для анализа элементного состава
вещества, осуществляемого двумя способами. В первом из них исследуемое
вещество вводится в плазменную горелку – дуговой разряд с проточной плазмой –
в микроколичествах либо в виде порошка, либо в виде капель. В плазме вещество
диссоциирует на атомы, которые частично возбуждаются и излучают. По
спектральному составу излучения определяется элементный состав вещества.
Этот метод, называется эмиссионным спектральным анализом, имеет долгую
историю и применяется для анализа металлов и сплавов; он позволяет надёжно
определять содержание примесей в количестве, превышающем 10-3 – 10-2%.
В другом способе элементного анализа исследуемое вещество также вводится
в пламя или в проточную плазму газового разряда, которые находятся между
двумя электродами. Пламя или плазма облучаются излучением перестраиваемого
лазера, и протекающий через плазму ток измеряется как функция длины волны
излучения. Как только излучение попадает в резонанс с переходами атомов,
находящихся в плазме, то изменяются условия ионизации атомов и,
следовательно, разрядный ток. Этот эффект называется оптогальваническим;
чувствительность методов, использующих этот эффект, на несколько порядков
выше, чем в эмиссионном спектральном анализе.
6. Низкотемпературная плазма земной атмосферы и Солнца.
Низкотемпературная плазма присутствует в окружающей нас природе. На
небольших высотах плазма может возникать под действием электрических полей,
существующих в атмосфере. В результате конвективных течений в атмосфере
происходит разделение заряда и возникают электрическое поле со средней
напряжённостью у поверхности Земли ~100 В/м, а также электрические токи.
Одно из проявлений разделения заряда в атмосфере связано с
возникновением молний. В момент прохождения основного тока молнии её канал
представляет типичную низкотемпературную плазму, напоминающую плазму
дуги высокого давления и плазмотронов. Температуpa плазмы в канале молнии
достигает 30000 К, плотность заряженных частиц ~ 1017 см-3 при диаметре канала
порядка 1 мм.
Ионизованный газ верхней атмосферы — ионосфера возникает в основном
под действием излучения Солнца. Ионосферу принято делить на ряд слоев (D, Е,
Fl, F2), расположенных на высотах 50-90, 90-140, 140-200 и 200-400 км.
Средняя концентрация заряженных частиц в слое D составляет ~103 см-3.
Отрицательный заряд в этом слое создаётся в основном различными
отрицательными ионами; наиболее распространённым положительным ионом
является кластерный ион Н3О+ · Н2О.
Заряженные частицы в слое Е образуются в результате фотоионизации газа
под действием УФ-излучения. Эти заряженные частицы дрейфуют в нижние слои
атмосферы и служат источником плазмы в D-слое ионосферы. Плотность
электронов в Е-слое ~105 см-3, отрицательные ионы в этом слое практически
отсутствуют; типы положительных ионов — О2+ и О+. Гибель заряженных частиц
в слое Е обусловлена диссоциативной рекомбинацией электронов и ионов и
уходом частиц в нижние слои.
Плотность электронов в слоях F1 и F2 ~ 105-106 см-3, основной тип
положительных ионов О+. Заряженные частицы в слоях F образуются в результате
ионизации атомарного кислорода под действием УФ-излучения Солнца. Гибель
заряженных частиц определяется фоторекомбинацией электронов с ионом
кислорода, фотоприлипанием электрона к атому кислорода, а также уходом
заряженных частиц в нижние слои.
Слои Е и F ионосферы отражают радиоволны, обеспечивая связь на KB и
средних волнах на большие расстояния. Поскольку плазма этих слоев создаётся
под действием излучения Солнца, параметры плазмы могут существенно
меняться на протяжении суток и времени года, что влияет на распространение
радиоволн. На высотах Е и F слоев работают также ИСЗ. На этих высотах чаще
всего развивается полярное сияние, возникающее при проникновении потока
солнечных протонов в атмосферу.
Околоземная плазма на больших высотах, а также межпланетная плазма
создаются солнечным ветром, и структура магнитосферы определяется
взаимодействием солнечного ветра с магнитным полем Земли. Электроны,
захваченные магнитным полем Земли, образуют радиационные пояса Земли.
Параметры солнечной плазмы, как и атмосферной, резко различаются в
зависимости от области Солнца. Во внутренней части Солнца температуpa
достаточно высока, так что там находится сильноионизованная плазма. На
поверхности Солнца и в окрестности Солнца степень ионизации плазмы
невысока, т. е. здесь содержится низкотемпературная плазма. Поверхностный
слой Солнца толщиной ~1000 км, из которого испускается основная часть
электромагнитного излучения Солнца, называется фотосферой. Плотность
атомарного водорода в фотосфере ~1017 см-3, плотность заряженных частиц ~1014
см-3, температуpa равновесной плазмы ~ 6000 К. Это излучение определяется в
основном процессом фотоприлипания электрона к атому водорода. Образуемые
при этом отрицательные атомы водорода далее быстро разрушаются при
столкновениях, так что отрицательный заряд фотосферной плазмы образуется в
основном электронами.
Разреженная область плазмы над поверхностью Солнца – солнечная корона.
Плотность плазмы в короне резко падает по мере удаления от Солнца.
Особенностью солнечной короны является её высокая температура (~106 К).
Поэтому солнечная корона испускает жёсткое (рентгеновское) излучение. Кроме
того, она является источником солнечного ветра.
Литература:
Пикельнер С. Б., Основы космической электродинамики, 2 изд., М., 1966;
Акасофу С. И., Чепмен С, Солнечно-земная физика, пер. с англ., ч. 1—2, М.,
1974—75;
Смирнов Б. М., Введение в физику плазмы, 2 изд., М., 1982;
Арцимович Л. А., Сагдеев Р. 3., Физика плазмы для физиков, М., 1979;
Биберман Л. М., Воробьёв В. С, Якубов И. Т., Кинетика неравновесной
низкотемпературной плазмы, М., 1982;
Райзер Ю. П., Физика газового разряда, М., 1987.